史泰岡， 高 丹

(上海工程技術(shù)大學(xué)資產(chǎn)管理及保障處，上海201260)

0 引言

激光熔覆可以在低成本鋼板上制成高性能表面，代替大量的高級(jí)合金，節(jié)約貴重、稀有的金屬材料［1-3］;提高材料的綜合性能，降低能源消耗，適用于局部易磨損、沖擊、氧化及腐蝕等零部件［4］。與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點(diǎn)，因此激光熔覆技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊［5］。目前，鐵基系列合金的激光熔覆技術(shù)已相對(duì)成熟，應(yīng)用也較為廣泛，與鎳基、鈷基合金、陶瓷材料等相比，鐵基系列合金不僅可以緩解在技術(shù)成本上的壓力，而且在某些方面具有與鎳基、鈷基合金、陶瓷材料等同樣優(yōu)越的處理性能，應(yīng)用前景看好［6］。但前期的研究表明［7-11］，工藝參數(shù)對(duì)激光熔覆涂層質(zhì)量的影響十分關(guān)鍵，工藝參數(shù)選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致熔覆層產(chǎn)生裂紋、氣孔、夾雜、組織、硬度不均等問題。本文對(duì)Fe基合金粉末的激光熔覆的表面質(zhì)量、硬度試驗(yàn)、組織分析進(jìn)行研究，找出影響上述三方面的主要影響因素及其顯著程度，優(yōu)化出最佳的工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

激光熔覆試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括激光器、送粉器和送粉槍，采用的是側(cè)向送粉。本試驗(yàn)所用激光器為HL-2000型CO2激光器，最大輸出功率為4 kW。試驗(yàn)所用送粉器為北京航空制造工程研究所生產(chǎn)的DPSF-2B型雙筒送粉器。試驗(yàn)中采用的基材是正火態(tài)低碳低合金鋼CCS-B，組織為珠光體+鐵素體，其組織如圖1所示，硬度為180～250 HV，化學(xué)成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))如表1所示。母材試板的幾何尺寸為130 mm×90 mm×8 mm。為了保證試板表面的干凈度和粗糙度，對(duì)試板進(jìn)行銑削加工，刨掉試板表面約0.5 mm的材料;用砂紙打磨，獲得較為平滑的試板表面;再用丙酮擦洗去除油污，自然風(fēng)干后待用。試驗(yàn)用合金粉末采用的成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))如表2所示，使用前在熱處理爐中干燥0.5 h(200℃)。

圖1 基材的顯微組織

表1 Fe基合金粉末的化學(xué)成分 %

表2 CCS-B鋼的化學(xué)成分%

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)于同步側(cè)向送粉的激光熔覆過程而言，其主要參數(shù)有激光功率P、熔覆掃描速度v、離焦量D、送粉量F、送粉氣流量L、送粉束與激光束相對(duì)位置等，其中送粉束與激光束相對(duì)位置又包括了如下參數(shù):送粉束與激光束前后相對(duì)位置;送粉束與激光束之間的距離;送粉束與水平位置之間的角度。要獲得良好成形的熔覆層，需對(duì)這幾組參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.1 激光功率對(duì)熔覆成形的影響

本文在D=69 mm、F=17.4 g/min、L=5 L/min 情況下，研究了不同激光功率對(duì)激光熔覆成形的影響。送粉束與激光束相對(duì)位置固定為:兩者在基體表面交點(diǎn)的距離為1.5 mm，其中送粉束在前、激光束在后;②送粉束與水平位置夾角為40°。試驗(yàn)參數(shù)如表3所示，對(duì)應(yīng)的熔覆涂層宏觀成形如圖2所示。

圖2(a)中1#熔覆層成形較好，表面有剝落的黑色氧化皮，這可能是由于熔覆后熔覆層余熱導(dǎo)致最外層氧化所造成的。另外，熔覆層前半部寬度大于后半部，這可能是由于送粉噴嘴溫度上升，黏結(jié)粉末導(dǎo)致送粉量減少所造成的，故有必要加強(qiáng)對(duì)噴嘴的散熱［12］。圖2(b)中2#熔覆層成形較好，但氧化比較嚴(yán)重，須加強(qiáng)對(duì)激光熔池的保護(hù)。前半部分成形較好，后半部分成形不規(guī)則，并伴有較嚴(yán)重氧化?？赡苁且?yàn)樗头鬯俣冗^快，導(dǎo)致熔覆不充分。圖2(c)中3#熔覆層成形一般，有塌陷，這是由于噴嘴口很細(xì)，粉末接觸噴嘴，一定時(shí)間后與噴嘴黏住，堵塞噴嘴導(dǎo)致送粉不暢。圖2(d)中的4#熔覆層成形尚可，但熔覆層寬度較小，這是由于激光功率偏小，單位時(shí)間內(nèi)熔化合金粉末的數(shù)量減少造成的。圖2(e)中5#熔覆層前半部分成形較好，后半部分成形較差，有疏松組織，這可能是由于激光功率達(dá)到7 kW時(shí)，熱輸入過大，粉末燒損嚴(yán)重，形成大量的氧化物，留在熔覆層中形成疏松組織。因此在本實(shí)驗(yàn)中2#熔覆層。綜上，在6 kW，1.5 m/min時(shí)，熔覆層成形較好。

表3 激光熔覆工藝參數(shù)

圖2 不同激光功率下熔覆層宏觀成形

2.2 掃描速度對(duì)熔覆成形的影響

本組試驗(yàn)在 D=69 mm、F=17.4 g/min、L=5 L/min情況下，研究不同掃描速度對(duì)激光熔覆成形的影響。送粉束與激光束相對(duì)位置固定為:①兩者在基體表面交點(diǎn)的距離為1.5 mm，其中送粉束在前、激光束在后;②送粉束與水平位置夾角為40°。試驗(yàn)參數(shù)如表4所示，對(duì)應(yīng)的熔覆涂層宏觀成形如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)掃描速度越大，激光熔覆成形寬度越窄，外形越不規(guī)則，熔覆層發(fā)生了斷續(xù)的情況。這是因?yàn)閽呙杷俣冗^快的情況下，粉末相對(duì)熔化量減少，發(fā)生表面塌陷。另外，由于單位時(shí)間內(nèi)熱輸入較小，合金粉末不能充分熔化，易被氣流吹走，減少了熔覆層實(shí)際厚度，導(dǎo)致熔覆過程不充分。綜上，送粉束在前，激光束在后時(shí)，在v=1.2～1.4 m/min時(shí)的激光熔覆層成形較好。

表4 激光熔覆工藝參數(shù)(送粉束在前、激光束在后)

圖3 不同掃描速度下熔覆層宏觀成形

調(diào)整送粉束與激光束相對(duì)位置后，對(duì)不同掃描速度下熔覆層宏觀成形也進(jìn)行了試驗(yàn)研究。本組試驗(yàn)在D=69 mm、F=17.4 g/min、L=5 L/min 情況下，研究不同掃描速度對(duì)激光熔覆成形的影響。送粉束與激光束相對(duì)位置固定為:①兩者在基體表面交點(diǎn)的距離為1.5 mm，其中送粉束在后，激光束在前;②送粉束與水平位置夾角為40°。試驗(yàn)參數(shù)如表5所示，對(duì)應(yīng)的熔覆涂層宏觀成形如圖4所示。本實(shí)驗(yàn)是激光束在前，送粉束在后的激光熔覆實(shí)驗(yàn)。首先，相對(duì)于激光束在后的實(shí)驗(yàn)方法和較快的掃描速度，激光熔覆層相對(duì)較規(guī)則，沒有黑色氧化皮剝落。1#與2#熔覆層較連續(xù)，未出現(xiàn)大量的孔洞，成形較好;3#～5#熔覆層前半段出現(xiàn)了較多孔洞，后半段成形較好，原因可能在于隨著掃描速度加快，前半段熔覆層由于基體溫度低，不能充分熔化，多余粉末顆粒被吹走，形成孔洞，后半段由于基體溫度上升，熔化粉末數(shù)量上升，熔覆層連續(xù)且寬度增加;綜上，送粉束在后、激光束在前時(shí)，P=7 kW，v=0.5～0.6 m/min時(shí)的激光熔覆成形較好。

表5 激光熔覆工藝參數(shù)(送粉束在后、激光束在前)

圖4 不同掃描速度下熔覆層宏觀成形

2.3 熔覆層顯微組織

P=7 kW，v=0.5 m/min時(shí)激光熔覆層顯微組織如圖5所示?？梢?，熔覆層與基體在結(jié)合界面呈現(xiàn)出良好的冶金結(jié)合，如圖5(a)所示。熔覆層不同區(qū)域具有不同的組織特征，如圖5(b)所示。由于激光熔覆具有較快的冷卻速度和基體良好的導(dǎo)熱能力，故界面的溫度梯度(G)很高，同時(shí)凝固的瞬間結(jié)晶速度(V)非常小，即G/V很高，界面呈現(xiàn)平面狀結(jié)晶的形式向表面生長［13］，即在基體表面上熔覆層發(fā)生了外延生長，形成了很薄的一層平面晶，厚度在10μm以內(nèi)。由界面處可以看出，由于激光加工中的熱傳導(dǎo)導(dǎo)致涂層界面以下的小部分基體被少量熔化。本試驗(yàn)中，基體對(duì)熔覆層合金的稀釋很少。白亮層向上，由于冷卻速度的降低、結(jié)晶速度的加快及界面擾動(dòng)的出現(xiàn)，熔覆層的晶粒生長轉(zhuǎn)為胞狀晶，胞狀晶區(qū)的生長方向主要受熱流的控制，為熱流的反方向，因熔池底部熱流方向垂直于固液界面，故其生長方向亦垂直于界面，為熱流的反方向［14］。涂層界面結(jié)合處復(fù)層結(jié)構(gòu)的形成意味著激光熔覆時(shí)凝固行為的復(fù)雜性，它不僅受控于涂層材料和基材的熔化與傳質(zhì)特征，而且與其晶體學(xué)特征有很大關(guān)系。當(dāng)熔融的涂層材料通過熱傳導(dǎo)使基體表面發(fā)生微熔時(shí)，由于基體金屬晶界結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性將引起其實(shí)際熔點(diǎn)在微觀上發(fā)生變化，結(jié)果導(dǎo)致液/固界面在微觀尺度上發(fā)生不均勻漲落起伏，使熔化的邊緣晶粒處于半熔化狀態(tài)。在隨后的凝固過程中，這些半熔化晶粒將成為新晶粒生長的核心［15］。由于在同一基質(zhì)晶粒上有眾多形核的有利位置，因而具有很大的形核速率，并沿著最大散熱方向以柱狀晶形式向熔池內(nèi)部延伸長大。在柱狀晶生長過程中，由于合金熔體對(duì)流擾動(dòng)作用的增強(qiáng)及稀釋程度的降低，將抑制柱狀晶的生長。再向上，熔覆層組織轉(zhuǎn)變?yōu)闃渲?，其主要是由于平面晶或胞狀晶的前沿，溶質(zhì)的富集而出現(xiàn)成分過冷，導(dǎo)致了樹枝晶的生長。

圖5 P=7 kW，v=0.5 m/min時(shí)熔覆層顯微組織

3 結(jié)論

本文在D=69 mm、F=17.4 g/min、L=5 L/min 情況下，研究了激光功率、掃描速度、激光束與送粉束相對(duì)位置等對(duì)激光熔覆成形的影響。結(jié)果表明:

(1)送粉束在前、激光束在后，激光功率為6 kW，掃描速度為1.5 m/min時(shí)的熔覆層成形較好;

(2)送粉束在前、激光束在后，激光功率為7 kW，掃描速度為1.2～1.4 m/min時(shí)的激光熔覆層成形較好;

(3)送粉束在后、激光束在前，激光功率為7 kW，在掃描速度為0.5～0.6 m/min時(shí)的激光熔覆成形較好;

(4)熔覆層的組織形態(tài)主要有平面層、胞狀晶和樹枝晶。

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